Novas - Análise do problema da conexión entre os grupos electróxenos diésel e o almacenamento de enerxía

Aquí tes unha explicación detallada en inglés das catro cuestións principais relativas á interconexión de grupos electróxenos diésel e sistemas de almacenamento de enerxía. Este sistema de enerxía híbrido (a miúdo chamado microrrede híbrida "Diésel + Almacenamento") é unha solución avanzada para mellorar a eficiencia, reducir o consumo de combustible e garantir un subministro de enerxía estable, pero o seu control é moi complexo.

Visión xeral dos problemas principais

Problema de potencia inversa de 100 ms: como evitar que o almacenamento de enerxía retroalimente o xerador diésel, protexéndoo así.
Potencia de saída constante: como manter o motor diésel funcionando de forma consistente na súa zona de alta eficiencia.
Desconexión repentina do almacenamento de enerxía: como xestionar o impacto cando o sistema de almacenamento de enerxía se desconecta repentinamente da rede.
Problema de potencia reactiva: como coordinar a compartición de potencia reactiva entre as dúas fontes para garantir a estabilidade da tensión.

1. O problema da potencia inversa de 100 ms

Descrición do problema:
A potencia inversa prodúcese cando a enerxía eléctrica flúe desde o sistema de almacenamento de enerxía (ou a carga) de volta cara ao grupo electróxeno diésel. Para o motor diésel, isto actúa como un "motor", impulsando o motor. Isto é extremadamente perigoso e pode levar a:

Danos mecánicos: Un funcionamento anormal do motor pode danar compoñentes como a cambota e as bielas.
Inestabilidade do sistema: Provoca flutuacións na velocidade (frecuencia) e na voltaxe do motor diésel, o que pode levar á parada.

O requisito de resolvelo en 100 ms existe porque os xeradores diésel teñen unha gran inercia mecánica e os seus sistemas de regulación da velocidade responden lentamente (normalmente da orde de segundos). Non poden confiar en si mesmos para suprimir rapidamente este refluxo eléctrico. A tarefa debe ser xestionada polo sistema de conversión de enerxía (PCS) de resposta ultrarrápida do sistema de almacenamento de enerxía.

Solución:

Principio básico: «O diésel lidera, o almacenamento segue». En todo o sistema, o grupo electróxeno diésel actúa como fonte de referencia de tensión e frecuencia (é dicir, modo de control V/F), de forma análoga á «rede». O sistema de almacenamento de enerxía funciona no modo de control de potencia constante (PQ), onde a súa potencia de saída está determinada unicamente por comandos dun controlador mestre.
Lóxica de control:
1. Monitorización en tempo real: o controlador mestre do sistema (ou o propio PCS de almacenamento) monitoriza a potencia de saída (P_diésel) e a dirección do xerador diésel en tempo real a unha velocidade moi alta (por exemplo, miles de veces por segundo).
2. Punto de referencia de potencia: o punto de referencia de potencia para o sistema de almacenamento de enerxía (Conxunto_P) debe cumprir:Carga_P(potencia total da carga) =P_diésel+Conxunto_P.
3. Axuste rápido: cando a carga diminúe repentinamente, o que provocaP_diéselpara ter unha tendencia negativa, o controlador debe enviar un comando ao PCS de almacenamento nuns poucos milisegundos para reducir inmediatamente a súa potencia de descarga ou cambiar a potencia de absorción (carga). Isto absorbe o exceso de enerxía nas baterías, garantindoP_diéselsegue sendo positivo.
Proteccións técnicas:
- Comunicación de alta velocidade: Requírense protocolos de comunicación de alta velocidade (por exemplo, bus CAN, Ethernet rápido) entre o controlador diésel, o PCS de almacenamento e o controlador mestre do sistema para garantir un atraso mínimo nos comandos.
- Resposta rápida de PCS: As unidades de almacenamento PCS modernas teñen tempos de resposta de enerxía moito máis rápidos que 100 ms, a miúdo dentro dos 10 ms, o que as fai totalmente capaces de cumprir este requisito.
- Protección redundante: Ademais da conexión de control, adoita instalarse un relé de protección contra a inversión de potencia na saída do xerador diésel como barreira final de hardware. Non obstante, o seu tempo de funcionamento pode ser duns centos de milisegundos, polo que serve principalmente como protección de reserva; a protección rápida principal depende do sistema de control.

2. Potencia de saída constante

Descrición do problema:
Os motores diésel funcionan coa máxima eficiencia de combustible e as emisións máis baixas nun rango de carga de aproximadamente o 60 % ao 80 % da súa potencia nominal. As cargas baixas provocan "apilamento húmido" e acumulación de carbono, mentres que as cargas altas aumentan drasticamente o consumo de combustible e reducen a vida útil. O obxectivo é illar o diésel das flutuacións de carga, manténdoo estable nun punto de axuste eficiente.

Solución:

Estratexia de control de "afeitado de picos e recheo de vals":
1. Punto base establecido: o grupo electróxeno diésel funciona a unha potencia de saída constante establecida no seu punto de eficiencia óptima (por exemplo, o 70 % da potencia nominal).
2. Regulamento de almacenamento:
  - Cando a demanda de carga > o punto de referencia do diésel: a potencia deficiente (P_carga - P_diésel_conxunto) complétase coa descarga do sistema de almacenamento de enerxía.
  - Cando a demanda de carga < punto de referencia diésel: o exceso de potencia (Conxunto_diésel_P - Carga_P) é absorbida pola carga do sistema de almacenamento de enerxía.
Vantaxes do sistema:
- O motor diésel funciona de forma consistente con alta eficiencia, sen problemas, prolongando a súa vida útil e reducindo os custos de mantemento.
- O sistema de almacenamento de enerxía suaviza as drásticas flutuacións de carga, evitando a ineficiencia e o desgaste causados polos frecuentes cambios de carga do diésel.
- O consumo total de combustible redúcese significativamente.

3. Desconexión repentina do almacenamento de enerxía

Descrición do problema:
O sistema de almacenamento de enerxía pode deixar de funcionar repentinamente debido a un fallo da batería, un fallo do PCS ou disparos de protección. A enerxía que antes manexaba o almacenamento (xa sexa xerando ou consumindo) transfírese instantaneamente e integramente ao grupo electróxeno diésel, o que crea unha descarga de enerxía masiva.

Riscos:

Se o almacenamento estivese a descargarse (soportar a carga), a súa desconexión transfire a carga completa ao diésel, o que pode causar sobrecarga, caída de frecuencia (velocidade) e apagado protector.
Se o almacenamento estivese a cargar (absorbendo o exceso de enerxía), a súa desconexión deixa o exceso de enerxía do diésel sen ningún lugar onde ir, o que podería causar potencia inversa e sobretensión, o que tamén desencadearía unha parada.

Solución:

Reserva de xiro lateral diésel: o grupo electróxeno diésel non debe dimensionarse só para o seu punto de eficiencia óptima. Debe ter capacidade de reserva dinámica. Por exemplo, se a carga máxima do sistema é de 1000 kW e o diésel funciona a 700 kW, a capacidade nominal do diésel debe ser superior a 700 kW + a maior carga escalonada potencial (ou a potencia máxima do almacenamento), por exemplo, unha unidade de 1000 kW seleccionada, proporcionando un amortecedor de 300 kW para un fallo do almacenamento.
Control de carga rápida:
1. Monitorización en tempo real do sistema: monitoriza continuamente o estado e o fluxo de enerxía do sistema de almacenamento.
2. Detección de fallos: Ao detectar unha desconexión repentina do almacenamento, o controlador mestre envía inmediatamente un sinal de redución rápida da carga ao controlador diésel.
3. Resposta do diésel: o controlador diésel actúa de inmediato (por exemplo, reduce rapidamente a inxección de combustible) para tentar reducir a potencia e adaptala á nova carga. A capacidade de reserva xiratoria dá tempo a esta resposta mecánica máis lenta.
Último recurso: deslastre de carga: se a descarga de potencia é demasiado grande para que o diésel a poida xestionar, a protección máis fiable é deslastrar as cargas non críticas, priorizando a seguridade das cargas críticas e do propio xerador. Un esquema de deslastre de carga é un requisito de protección esencial no deseño do sistema.

4. Problema de enerxía reactiva

Descrición do problema:
A enerxía reactiva utilízase para establecer campos magnéticos e é crucial para manter a estabilidade da tensión nos sistemas de CA. Tanto o xerador diésel como o PCS de almacenamento deben participar na regulación da enerxía reactiva.

Xerador diésel: controla a saída de potencia reactiva e a tensión axustando a súa corrente de excitación. A súa capacidade de potencia reactiva é limitada e a súa resposta é lenta.
Almacenamento PCS: A maioría das unidades PCS modernas son de catro cuadrantes, o que significa que poden inxectar ou absorber enerxía reactiva de forma independente e rápida (sempre que non superen a súa potencia aparente en kVA).

Desafío: Como coordinar ambos para garantir a estabilidade da tensión do sistema sen sobrecargar ningunha das unidades.

Solución:

Estratexias de control:
1. O diésel controla a tensión: o grupo electróxeno diésel está configurado no modo V/F, responsable de establecer a referencia de tensión e frecuencia do sistema. Proporciona unha "fonte de tensión" estable.
2. O almacenamento participa na regulación reactiva (opcional):
  - Modo PQ: O almacenamento só xestiona a enerxía activa (P), con potencia reactiva (Q) axustado a cero. O diésel proporciona toda a potencia reactiva. Este é o método máis sinxelo pero sobrecarga o diésel.
  - Modo de despacho de potencia reactiva: o controlador mestre do sistema envía comandos de potencia reactiva (Conxunto de preguntas) ao PCS de almacenamento en función das condicións de tensión actuais. Se a tensión do sistema é baixa, ordena ao almacenamento que inxecte potencia reactiva; se é alta, ordena que absorba potencia reactiva. Isto alivia a carga do diésel, permitíndolle centrarse na saída de potencia activa, ao tempo que proporciona unha estabilización da tensión máis precisa e rápida.
  - Modo de control do factor de potencia (PF): establécese un factor de potencia obxectivo (por exemplo, 0,95) e o almacenamento axusta automaticamente a súa saída reactiva para manter un factor de potencia global constante nos terminais do xerador diésel.
Consideracións sobre a capacidade: O PCS de almacenamento debe ter un tamaño que permita unha capacidade de potencia aparente (kVA) suficiente. Por exemplo, un PCS de 500 kW que produza 400 kW de potencia activa pode proporcionar un máximo decaloría cadrada (500² - 400²) = 300 kVArde potencia reactiva. Se a demanda de potencia reactiva é alta, requírese un PCS máis grande.

Resumo

Conseguir unha interconexión estable entre un grupo electróxeno diésel e o almacenamento de enerxía depende do control xerárquico:

Capa de hardware: seleccione un PCS de almacenamento de resposta rápida e un controlador de xerador diésel con interfaces de comunicación de alta velocidade.
Capa de control: Emprega unha arquitectura fundamental de "o diésel establece V/F, o almacenamento fai PQ". Un controlador de sistema de alta velocidade realiza o despacho de enerxía en tempo real para o "axuste de picos/recheo de vals" da potencia activa e o soporte de potencia reactiva.
Capa de protección: o deseño do sistema debe incluír plans de protección completos: protección contra a potencia inversa, protección contra a sobrecarga e estratexias de control de carga (mesmo a deslastre de carga) para xestionar a desconexión repentina do almacenamento.

Mediante as solucións descritas anteriormente, pódense abordar eficazmente os catro problemas clave que planteaches para construír un sistema de enerxía híbrido de almacenamento de enerxía diésel eficiente, estable e fiable.